eVTOL 设计的复杂性和机遇

电动垂直起降 (eVTOL) 飞机代表着城市空中交通的一次飞跃，为交通拥堵和运输效率低下提供了解决方案。然而，它们的开发面临着巨大的工程挑战。

这些挑战包括设计高效的推进系统、确保电池的可靠性和使用寿命、在保持结构完整性的同时管理重量限制，以及解决城市环境的降噪问题。此外，集成先进的航空电子设备以实现自主运行以及获得监管部门的批准也增加了复杂性。

我们将通过关注三个关键领域来研究公司在平衡运营绩效和设计限制方面所做的权衡：

1. 运营要求——将 eVTOL 融入城市交通需要什么
2. 飞机结构——运营商如何通过飞机设计来解决运营需求
3. 变革的力量——哪些外部因素可能会影响 OEM 和运营商对 eVTOL 设计的态度

操作要求

运营策略考量

平衡航程和有效载荷是飞行器设计师面临的一个关键挑战，尤其是对于 eVTOL 而言，技术不成熟会加剧这种权衡。增加有效载荷容量通常需要更大更重的飞机，需要更多的能量才能达到相同的航程。相反，延长航程通常意味着减少有效载荷以节省能源。

设计师必须优化这种平衡以满足特定的操作要求。城市空中出租车可能会优先考虑短途飞行的更高有效载荷，而城际 eVTOL 可能会专注于扩大飞行距离，但代价是减少载客量或减轻负载。

运营策略在平衡航程和有效载荷方面发挥着重要作用。例如，eVTOL 运营商可以根据特定任务所需的航程实施灵活的有效载荷限制。优化飞行路线和时间表可以最大限度地提高效率，确保 eVTOL 在其最佳性能范围内运行。

电池和充电考虑

快速充电对于 eVTOL 至关重要，它使运营商能够最大限度地延长车辆正常运行时间并创造收入。行业估计，95% 的 eVTOL 充电将采用快速充电，而电动汽车只有 10%，以保持紧凑的时间表并有效服务于短途出租车市场。

eVTOL 快速充电的基石在于先进的电池技术。

这些电池必须能够承受高功率输入而不会退化。虽然锂离子电池是目前最常见的选择，但它们在充电速度和热管理方面的局限性带来了重大挑战。固态电池具有更高的能量密度和更好的热稳定性，正在被研究作为潜在的替代品。

预计 eVTOL 将在城市地区频繁运行，因此需要战略性地放置充电站，这些充电站能够提供高功率水平（通常为数百千瓦），以便快速为 eVTOL 电池充电。这一基础设施挑战巨大，需要大量投资于电网升级和可再生能源整合，以支持可持续、可靠的充电。

与传统飞机一样，eVTOL 在起飞和降落时会输出峰值功率，因此需要推进系统和电池能够满足这些需求，而不会过热或快速磨损。eVTOL 的巡航时间较短，因此会出现频繁且剧烈的功率和热循环。设计能够提供这种峰值功率并控制热量的系统是一项重大的工程挑战。

巡航功率是在恒定速度和高度下平飞所需的持续功率，它明显低于最大功率，但必须非常高效，才能最大限度地提高 eVTOL 的航程和续航能力。高效的巡航功率管理涉及优化空气动力学，包括机翼和旋翼的设计，以减少阻力并提高升阻比。设计人员必须确保推进系统和电池能够处理峰值负载，而不会影响长期效率和电池寿命。

噪音和监管考虑

随着 eVTOL 技术的进步，监管障碍也必须得到解决。鉴于 eVTOL 运营的城市性质，噪音将是一个关键问题。欧洲航空安全局 (EASA) 已率先制定 eVTOL 的噪音标准。

城市空中交通需要建立特定的空中走廊和垂直起降机场，重点是尽量减少对周边地区的影响。正如市内机场面临严格的噪音限制一样，eVTOL 也需要遵守监管框架，这可能会导致飞行路线不太理想，并在特定时段受到运营限制。

降噪技术（例如先进的转子设计、隔音材料和主动降噪系统）将至关重要。将这些技术集成到 eVTOL 设计中对于满足监管标准和确保社区接受度至关重要。

飞机结构

三个设计方向被提出进行分析，代表了 OEM 展示的更普遍的架构设计。由于 AAM 制造商试图解决的应用范围很广，因此可以探索的设计方向几乎是无限的。由于这是一个新的设计领域，因此尚未实现设计融合，而这种情况经常发生。

图 1. 各 OEM 的设计方向

多旋翼飞行器

Volocopter 和 EHang 等 OEM 采用多旋翼设计，其特点是多个旋翼提供垂直升力。典型的旋翼配置采用四个或更多旋翼，对称排列在机身周围，以增强稳定性和控制力。这种配置可确保一个旋翼的损失不会严重影响飞行稳定性，从而提供必要的冗余和安全性。

垂直起降能力使多旋翼直升机设计适用于城市空中出租车服务和紧急医疗运输，提供快速的点对点旅行。目前大多数多旋翼直升机 eVTOL 都是为短距离城市任务而设计的，每次充电通常可覆盖 20 至 50 英里的距离。这个范围适合城市内旅行，但限制了城市间的运营。

悬停和精确垂直机动的能力是其一大优势，能够实现在传统飞机无法到达的地区作业。当前的设计采用许多较小的旋翼，以复杂性为代价提高机动性。

升船加巡航

Eve 和 Archer 采用了更复杂的设计，结合了升力和前向巡航能力。这些飞机通常具有用于垂直升力和水平巡航的独立推进系统，从而优化每个飞行阶段的性能。

垂直升力通常由多个旋翼实现，类似于多旋翼飞行器，在起飞和降落时提供稳定性和控制力。一旦升空，专用前推力螺旋桨或固定翼将接管，实现高效的水平飞行。

升力加巡航 eVTOL 的运营策略侧重于最大限度地提高效率和灵活性。这些飞机非常适合短途城市飞行和较长的区域飞行，与多旋翼飞行器相比，它们提供了更广泛的应用范围。在垂直和水平飞行模式之间切换的能力使操作员能够根据任务要求优化路线和飞行曲线。例如，在较长的城际飞行中，飞机可以以更高的高度和速度巡航，从而节省能源并扩大航程。

矢量推力

最复杂、操作变化性最大的设计是矢量推力。Supernal 和 Lilium 就是此类设计的例子。这种创新设计为城市空中交通提供了一种多功能方法，将传统固定翼飞机的效率与直升机的垂直起降能力相结合。矢量推力 eVTOL 通常具有倾斜旋翼或涵道风扇，可在垂直和水平方向之间旋转，从而优化不同飞行阶段的性能。

在起飞和降落时，转子或风扇垂直放置以提供升力，类似于直升机。升空后，这些推进系统会旋转到水平位置，使飞机可以像传统飞机一样巡航。与多旋翼机和升力加巡航设计相比，这种双模式操作提高了能源效率并扩大了航程。

尽管矢量推力 eVTOL 具有诸多优势，但它们也面临一些局限性。倾斜推进系统的复杂性增加了重量和维护要求，影响了总体有效载荷能力和运营成本。

变革的力量

尽管 eVTOL 的设计方向最终可能会趋于一致，但这种趋同可能不仅受到外部力量的推动，还受到工程师的新材料和结构创新的推动。环境条件、基础设施发展和战略伙伴关系等各种因素在塑造 eVTOL 设计的演变过程中发挥着重要作用。

一个值得注意的趋势是，大多数 eVTOL 谅解备忘录 (MOU) 都与气候炎热的城市签署，例如迪拜和阿布扎比。这些地区的高环境温度会加速电池的退化，需要更频繁地充电并减少运行范围。此外，较高的温度会增加起飞和降落期间推进系统的负担。发动机必须以更高的转速运行才能产生所需的升力，这进一步给飞机的部件带来压力，并可能缩短其使用寿命。

基础设施建设是推动 eVTOL 普及的另一个关键因素。尽管在 eVTOL 开发方面投入了大量资金，但资金往往优先考虑原始设备制造商，而不是必要的支持基础设施。因此，eVTOL 的技术能力可能会因运行环境不充分而受到阻碍。例如，如果能源供应不足或缺乏充电设施，eVTOL 的运行能力可能会受到严重限制。

战略合作伙伴关系在塑造 eVTOL 的设计和方向方面发挥着至关重要的作用，制造商与领先的工程公司（例如 Avincis 和 Airbus）之间的合作带来了宝贵的专业知识和资源。然而，这些合作伙伴关系可能会影响较小的 OEM 将其设计与较大合作伙伴的更广泛目标保持一致，而不是其最初的使命宣言。此外，外部合作伙伴规定的操作配置（例如军事应用与商业应用）进一步推动了设计的变化，凸显了定制解决方案以满足不同用例的需求。

此外，监管和经济因素可能会影响 eVTOL 的格局。监管机构正在制定 eVTOL 运营的标准和指南，特别是有关安全、噪音污染和环境影响的标准和指南。遵守这些法规对于进入市场至关重要，但可能需要进行设计变更或调整。经济因素（例如先进材料和技术的成本）也将影响不同 eVTOL 设计的可行性和可扩展性。

结论

随着 eVTOL 行业的不断发展，平衡内部和外部影响对于开发可行、高效且被广泛接受的城市空中交通解决方案至关重要。虽然我们可能会看到设计方向趋同或适合不同设计的独立市场，但最终的决定最终将反映技术创新、环境适应、基础设施支持、战略合作和法规遵从性之间的复杂相互作用。

来源

IEEE Spectrum。（2021 年）。“固态电池技术的进步。”
国家可再生能源实验室。（2021 年）。“优化电动飞机的电源管理。”
《航空航天工程杂志》。（2020 年）。“航空航天设计中的轻质材料。”
城市空中交通新闻。（2021 年）。“分布式电力推进及其优势。”
《能源存储杂志》。（2020 年）。“高功率锂电池的热管理。”
欧洲航空安全局 (EASA)。(2022)。“eVTOL 噪音水平认证规范。”